JP2001330779A - 走査式顕微鏡の焦点補正方法及び走査式顕微鏡 - Google Patents

走査式顕微鏡の焦点補正方法及び走査式顕微鏡

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 試料面の全面を走査せずに且つ測定点を制限
されることなく、高いスループットで高精度に焦点合わ
せできる走査式顕微鏡の実現。 【解決手段】 同一形状を有する複数の領域101 が形成
された試料100 の表面を走査して表面画像を生成する走
査式顕微鏡であって、走査を行うと共に走査位置を示す
走査位置信号を出力する走査機構11,16 と、走査式顕微
鏡の焦点状態を変化させる焦点調整機構12,16 と、焦点
状態を示すフォーカス信号を出力する焦点状態検出器1
4,15 と、複数の領域の1つ111 を所望の焦点状態にし
て走査した時のフォーカス信号をテンプレートデータと
して記憶するテンプレート記憶部17と、試料を走査する
時に各領域毎の走査位置に対応してテンプレートデータ
を読み出し、テンプレートデータとフォーカス信号とを
比較し、2つの信号の差が無くなるように制御する焦点
制御信号を発生する比較器とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、表面に半導体チッ
プに対応する同一の形状を有する複数の領域(ダイ)が
形成された半導体ウエハなどの試料の表面画像を、顕微
鏡などで構成される光学部と試料を相対的に移動させる
走査を行って生成する走査式顕微鏡及びその焦点補正方
法に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体製造では、図1に示すように、半
導体ウエハ100上に半導体チップに対応する複数の領
域(ダイ)101に同一の回路パターンを形成し、テス
タで電気的な試験を行った後、ダイサで各ダイを切離し
てリードフレームなどに取り付ける組立を行う。通常、
半導体ウエハ100上には数百個のダイ101が形成さ
れる。半導体製造工程では、半導体ウエハの表面に各種
の回路パターンを何層にも形成してダイが作られる。半
導体製造は、数百の工程からなり、製造開始から完成す
るまで長時間を要する。そのため、初期の工程でプロセ
スの不良が発生しても、不良が発見されるのはテスタに
よる電気的な試験を行った時であり、その間に不良の工
程を行った半導体ウエハで多数の不良品が発生して無駄
になるだけでなく、予定した生産個数が得られないとい
う問題を生じる。そこで、半導体製造の主要な工程が終
了した時点で半導体ウエハの表面を観察し、形成したパ
ターンの欠陥などを調べてその情報をフィードバックす
ることにより品質管理することが行われており、このた
めに光学顕微鏡が広く使用されている。半導体ウエハの
表面画像を発生し、不良部分の発見を行う装置をインス
ペクションマシンと呼んでおり、ここでもこの語を使用
する。
【0003】インスペクションマシンでは、TVカメラ
やラインセンサで光学像を画像信号に変換し、画像信号
を処理して欠陥などの有無を判定する。近年、半導体装
置は益々高集積化されており、それに応じて回路パター
ンも微細化しており、インスペクションマシンは高解像
度の画像を生成することが要求される。そのため、高集
積度のラインセンサで走査することにより高分解能の画
像信号を得ている。走査は通常ステージに載置した試料
を一定速度で移動することにより行う。1つのダイ10
1の画像を1回の走査で生成したのでは十分な解像度の
画像が得られない場合には、図1に示すように、2回の
走査102と103を行う。不良部分の発見は、隣接す
るダイの対応する部分の画像データを比較することによ
り行うのが一般的である。図1では、走査102を行っ
て各ダイの下側半分について検査した後、走査103を
行って各ダイの上側半分について検査する。
【0004】図2は、インスペクションマシンの基本構
成を示す図である。図2に示すように、試料である半導
体ウエハ100は、上下方向に移動するZステージ12
に保持される。Zステージ12は、水平の2軸方向に移
動するXYステージ11に保持されており、XYステー
ジ11とZステージ12はステージ移動制御装置16に
より移動量が精密に制御される。検査装置13は、半導
体ウエハ100の拡大した表面画像を形成する光学顕微
鏡と、画像を電気信号に変換するイメージセンサ、画像
信号を処理して欠陥の有無、その位置及び欠陥の分類な
どの処理を行う画像処理装置などを有する。この部分の
構成の詳しい説明は省略する。
【0005】光学顕微鏡で良好な画像を形成するには、
半導体ウエハ100の表面に焦点が合っていることが必
要である。焦点からのずれ量は光学顕微鏡と組み合わさ
れるフォーカスセンサ14により検出され、フォーカス
信号制御回路15はフォーカスセンサ14の出力を処理
して焦点からのずれ量を示すフォーカス信号(Z信号)
を生成し、ステージ駆動制御装置16に出力する。ステ
ージ駆動制御装置16は、Z信号に基づいてZステージ
12の移動を制御する。なお、ステージ駆動制御装置1
6は、走査中はXYステージ11を所定の速度で移動す
るように制御する。以上の構成により、光学顕微鏡の焦
点が半導体ウエハの表面に自動的に合うように制御され
る自動焦点装置(オートフォーカス機構:AF機構)が
構成される。AF機構により、走査を行う場合にも常に
半導体ウエハの表面に焦点が合った状態になり、良好な
画像信号が生成される。
【0006】光学顕微鏡の焦点状態を検出する方法は、
一般的には、半導体ウエハの表面に接触せずに焦点状態
が検出できる光学的方法が使用され、その方法として、
ナイフエッジ法、非点収差法、コンフォーカル法など各
種提案されており、本発明ではいずれの方式でも適用可
能であり、焦点検出の方法は限定されない。また、焦点
位置の調整及び走査を、試料を固定して検査装置13の
光学顕微鏡を移動させて行うことも可能である。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】半導体ウエハの表面に
は各種のパターンが何層にも形成され、図3に示すよう
に、表面には微細ではあるが凹凸が形成される。光学的
方法では、焦点検出のための補助ビームを半導体ウエハ
上にスポットになるように照射し、表面で反射された補
助ビームから焦点状態を検出する。図3のように表面に
凹凸があると、その影響でZ信号が変動し、絶対的な焦
点状態を検出するのが難しくなる。
【0008】そこで、図4の(A)に示すように、半導
体ウエハ100上の複数のあらかじめ信頼できる特定の
測定位置104において高さ情報を得て、図4の(B)
に示すように、補間法などにより半導体ウエハ100全
面の高さ分布を算出し、この高さ分布に応じて焦点位置
を調整するようにしていた。特定の測定位置104は、
例えば、平坦な表面であることが分かっているダイ間の
部分やダイ内の特定の部分(電極パッドなど)である。
【0009】しかし、高精度の高さ分布を算出するに
は、半導体ウエハ100全面に渡って、多数の測定点で
高さを測定する必要がある。そのためには、半導体ウエ
ハ100全面を走査する必要があり、スループットが低
下するという問題を生じる。また、特定の測定位置10
4は、平坦な表面であることが分かっている部分である
が、ダイ内にそのような部分がない時には、測定できる
のはダイ間の部分に限定され、測定位置を任意に選定で
きず、補間法を使用した場合には補間精度が低下すると
いう問題を生じる。
【0010】本発明は、このような問題を解決すること
を目的とし、試料面の全面を走査して測定せずに、測定
点を制限されることなく、高いスループットで、高精度
に焦点合わせできる走査式顕微鏡の焦点補正方法及び走
査式顕微鏡の実現を目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明の走査式顕微鏡の
焦点補正方法は、試料上に形成される複数の領域(ダ
イ)は同一の形状を有することに着目して、複数の領域
の1つを基準領域とし、そこを走査した時のフォーカス
信号をテンプレートデータとして記憶し、通常の画像を
発生する走査を行う時には、対応する走査位置でテンプ
レートデータと同じフォーカス信号が得られるように制
御する。
【0012】すなわち、本発明の走査式顕微鏡の焦点補
正方法は、同一形状を有する複数の領域が形成された試
料の表面を走査して試料の表面画像を生成すると共に焦
点状態を示すフォーカス信号を出力する走査式顕微鏡の
焦点補正方法であって、複数の領域の1つを、走査式顕
微鏡の焦点状態を所望の状態にして走査し、走査に伴っ
て変化するフォーカス信号をテンプレートデータとして
記憶し、試料の表面を走査する時に、各領域毎に走査に
対応するテンプレートデータを読み出し、フォーカス信
号と前記テンプレートデータとの差を求め、差を無くす
ように走査式顕微鏡の焦点状態を補正することを特徴と
する。
【0013】また、本発明の走査式顕微鏡は、同一形状
を有する複数の領域が形成された試料の表面を走査して
試料の表面画像を生成する走査式顕微鏡であって、走査
を行うと共に、走査位置を示す走査位置信号を出力する
走査機構と、当該走査式顕微鏡の焦点状態を変化させる
焦点調整機構と、当該走査式顕微鏡の焦点状態を示すフ
ォーカス信号を出力する焦点状態検出器と、複数の領域
の1つを走査式顕微鏡の焦点状態を所望の状態にして走
査した時に、走査に伴って変化するフォーカス信号をテ
ンプレートデータとして記憶するテンプレート記憶部
と、試料の表面を走査する時に、各領域毎の走査位置に
対応してテンプレートデータを読み出し、読み出したテ
ンプレートデータとフォーカス信号とを比較し、2つの
信号の差が無くなるように焦点調整機構を変化させる焦
点制御信号を発生する比較器とを備えることを特徴とす
る。
【0014】試料(半導体ウエハ)上に形成される複数
の領域(ダイ)は同一の形状を有する。従って、試料の
高さが同じであれば、各領域を走査した時のフォーカス
信号は同じになるはずであり、試料の高さが異なれば各
領域を走査した時のフォーカス信号は試料の高さの違い
だけ異なるはずである。そこで、各領域を走査した時の
フォーカス信号が基準領域を走査した時のフォーカス信
号と同じになるように制御すれば、基準領域を走査した
時と同じ焦点状態で走査が行われることになる。
【0015】本発明によれば、図4に示したように、試
料を全面走査して高さを測定せずに、1つの領域を走査
してテンプレートデータを記憶するだけでよく、スルー
プットが向上する。また、図4に示した方法では、高さ
を測定するのは、平坦な表面であることが分かっている
ダイ間の部分やダイ内の電極パッドなどに限定される
が、本発明によればこのような制限がなく、たとえ試料
の高さが領域内で変化していても高精度の焦点合わせが
可能になる。
【0016】基準領域は、任意に選択すればよく、例え
ば、画像生成のための走査を行う時の最初の領域を選択
する。この場合、基準領域内で試料の高さ変化がある場
合には、その変化を含めてテンプレートデータとして記
憶されることになるが、通常各領域は試料の全面に比べ
て小さく、その内部での試料の高さ変化の量は小さく、
問題にならない。また、領域間の画像データを比較して
検査を行う場合には、同一の焦点状態で生成された画像
を比較することが好ましく、基準領域内で試料の高さ変
化があっても大きな問題は生じない。
【0017】もし、高さ変化がないか非常に小さい領域
を基準領域とする場合には、例えば、試料を走査して高
さ変化の小さな領域を探し、その領域を基準領域とす
る。通常、非常に多数枚の試料(半導体ウエハ)に同一
形状の領域を形成するので、ある試料の基準領域をテン
プレートデータとして記憶すれば、他の試料でも使用で
きる。従って、1枚について走査を行って高さ変化の小
さな領域を探し、テンプレートデータを記憶しても、全
体としてはスループットの低下は無視できるほど小さ
い。
【0018】
【発明の実施の形態】図5は、本発明の実施例の走査式
顕微鏡を使用したインスペクションマシンの全体構成を
示す図である。図示のように、本実施例のインスペクシ
ョンマシンは、図2の従来の構成に類似の構成を有し、
テンプレート記憶回路17とテンプレート比較回路18
が設けられている点が異なる。XYステージ11、Zス
テージ12、ステージ駆動制御装置16、検査装置1
3、フォーカスセンサ14及びフォーカス信号制御回路
15は従来のものと同様である。なお、従来のものと同
様に、これらの各要素には各種の変形例があり、本実施
例でもそれらの変形例が使用できるのはいうまでもな
い。以下、従来例と異なる点についてのみ説明する。
【0019】フォーカス信号制御回路15は、フォーカ
スセンサ14が検出した検査装置13の焦点状態を示す
フォーカス信号(Z信号)を処理し、デジタル化したフ
ォーカス信号(Z信号)を出力する。テンプレート記憶
回路17は、指定された基準領域を走査した時のデジタ
ル・フォーカス信号(デジタル・Z信号)を、ステージ
駆動制御装置16の出力する領域内の位置を示す信号に
対応して記憶する。ステージ駆動制御装置16は、走査
時にはXYステージ11を一定速度で移動し、各領域の
開始点からの移動量を示す信号を出力する。
【0020】本実施例では、図6に示すように、半導体
ウエハ100上に同一の形状を有する多数のダイ101
が形成されており、各ダイの画像を4回の走査に分けて
生成し、隣接するダイの画像を比較する。走査及び検査
を効率的に行うために、各ダイの1番目の領域を続けて
走査して画像を生成し、隣接するダイの画像を比較す
る。この場合、隣接するダイの列では走査の方向が逆に
なる。1番目の領域の検査が終了すると、2番目の領域
の走査を行い、これを4番目の領域の走査が終了するま
で続ける。本実施例では、左下のダイ111から横方向
に走査を行った後、次の列のダイを逆方向に走査する。
【0021】本実施例では、左下のダイ111を基準領
域とし、画像の生成を開始する前に図示のように4つの
領域を走査し、ステージ駆動制御装置16の出力する位
置信号に対応して記憶する。図7は、テンプレートデー
タ記憶処理を示すフローチャートである。ステップ20
1では、基準領域を選定する。図6に示すように、本実
施例では左下のダイ111が基準領域として選定され
る。ステップ202では、オペレータが基準領域に対し
て最適な焦点位置になるようにZステージ12の位置を
調整する。ステップ203では、ステップ202で調整
したZステージ12の位置を維持しながら基準領域(ダ
イ111)を走査して、フォーカス信号制御回路15の
出力するデジタル・フォーカス信号を、ステージ駆動制
御装置16に出力する位置信号に対応して、テンプレー
トデータとしてテンプレート記憶回路17に記憶する。
【0022】図8は、画像を生成して検査を行う時のフ
ォーカス制御に関する動作を示すフローチャートであ
る。ステップ211では、走査を開始する。走査を開始
すると、ステップ212で、テンプレート記憶回路17
からステージ駆動制御装置16の出力する位置信号に対
応したテンプレートデータを読み出す。この時、例え
ば、走査が逆方向に行われる時には、テンプレート記憶
回路17からの読み出しも逆方向に行う。
【0023】ステップ213では、テンプレート比較回
路18が、フォーカス信号制御回路15の出力するデジ
タル・Z信号とテンプレート記憶回路17から読み出し
た信号とを比較する。更に、ステップ213では、テン
プレート比較回路18が、2つの信号の差を演算し、差
があればZステージ12を差が無くなるように移動させ
る信号をステージ駆動制御回路16に出力し、ステップ
215でステージ駆動制御回路16はこの信号に応じて
Zステージ12を移動させる信号を出力する。また、差
がなければ、その状態のZステージ12の位置を維持す
る。以上の動作を走査が終了するまで続ける。以上の動
作を行いながら、検査装置13は各領域の表面画像を生
成しながら、隣接するダイの画像間の比較検査を行う。
【0024】なお、以上のステップ213から215の
動作をすべてデジタル処理で行うことも可能であるが、
例えば、フォーカス信号制御回路15はアナログ・フォ
ーカス信号を出力し、テンプレート記憶回路17内にア
ナログ・フォーカス信号をデジタル信号に変換するA/
D変換器と、メモリから読み出したテンプレートデータ
をアナログ信号に変換するD/A変換器とを設け、テン
プレート比較回路18をアナログ減算回路として、アナ
ログ演算により生成した差信号をステージ駆動制御回路
16に出力することも可能である。
【0025】図9と図10は、実施例におけるテンプレ
ートデータ、フォーカス信号(Z信号)、Zステージ制
御信号の例を説明する図である。図9の(A)に示すよ
うに、基準領域(ダイ111)の4つの領域121〜1
24を走査した時のZ信号が、それぞれ図9の(B)に
示すような信号であるとする。図9の(B)に示す4つ
の信号がテンプレートデータとして記憶される。
【0026】図10は、図9の(B)に示すテンプレー
トデータを記憶した後、各領域の表面画像を生成して比
較検査を行う場合の、信号を説明する図である。ここで
は、各領域の1番目の領域を走査する場合を示す。図1
0の(A)に示すように、各領域(ダイ)101の1番
目の領域が順次走査される。なお、図示の3つのダイ1
01は同じ列に属するとは限らず、異なる列に属する場
合もあるとする。
【0027】3つのダイを走査した時のフォーカス信号
(Z信号)が、図10の(B)に示すような信号であっ
たとする。各Z信号に対応して記憶されている(C)の
ようなテンプレート信号が読み出され、比較される。そ
の結果、Zステージ制御信号として、(D)のような信
号が発生され、Zステージ12の位置を制御して、テン
プレートデータと同じ信号が得られるように制御され
る。
【0028】図10では、試料の高さが各ダイ内で一定
である場合の信号の例を示したが、かならずしもそうと
は限らない。図11は、試料の高さが各ダイ内で変化す
る場合のフォーカス信号(Z信号)、Zステージ制御信
号の例を説明する図である。試料の高さが図11の
(A)に示すように変化しているとする。この場合、Z
信号は(B)に示すように変化する。テンプレート信号
は(C)に示すような信号であるので、差を演算すると
(D)に示すように変化し、これがZステージ制御信号
になる。
【0029】基準領域は、任意に選択すればよく、実施
例では画像生成のための走査を行う時の最初の領域であ
る左下のダイ111を選択した。このダイ111内で試
料の高さ変化がある場合には、その変化を含めてテンプ
レートデータとして記憶されることになるが、通常各領
域は試料の全面に比べて小さく、その内部での試料の高
さ変化の量は小さく、問題にならない。また、領域間の
画像データを比較して検査を行う場合には、同一の焦点
状態で生成された画像を比較することが好ましく、基準
領域内で試料の高さ変化があっても大きな問題は生じな
い。
【0030】なお、基準領域の高さ分布があらかじめ分
っている場合には、基準領域を走査してテンプレートデ
ータを記憶する時に、あらかじめ分っている高さ分布に
従って最適な焦点状態になるように制御しながら走査し
てテンプレートデータを記憶することも可能である。こ
れであれば、たとえ基準領域内に高さ分布があっても焦
点状態の合ったテンプレートデータが記憶できる。この
ような方法でテンプレートデータを記憶するには、図5
の構成で基準領域内の走査軌跡に沿った高さ分布データ
を記憶する記憶回路を設け、テンプレートデータを記憶
するために基準領域を走査する時にステージ駆動制御装
置16が走査位置に応じてこのデータを読み出してZス
テージ12の高さを制御する。
【0031】通常、非常に多数枚の試料(半導体ウエ
ハ)に同一形状の領域を形成するので、ある試料の基準
領域をテンプレートデータとして記憶すれば、他の試料
でも使用できる。この場合、いくつかの試料を走査して
高さ変化の小さな領域を探し、その領域を基準領域とし
てテンプレートデータを記憶し、複数の試料で共通に使
用する。これであれば、テンプレートデータを記憶する
ために走査を行って高さ変化の小さな領域を探しても、
全体としてはスループットの低下は無視できるほど小さ
い。
【0032】更に、ダイ間の比較を行なうための走査も
各種の変形例がある。例えば、図1の例では走査102
により半導体ウエハ100のすべてのダイ101の下側
の領域を比較した後、走査103によりすべてのダイの
上側の領域を比較した。しかし、図12に示すように、
各列のすべてのダイについて同じ領域を比較するように
走査121,122,123及び124を行った後、次
の列について同様の走査を行って比較することも可能で
あり、このような場合でも本発明を同様に適用できる。
【0033】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
試料面の全面を走査して測定することなく、しかも測定
点を制限されることなく、高いスループットで、高精度
に焦点合わせできる走査式顕微鏡の焦点補正方法及び走
査式顕微鏡が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図1】複数の領域(ダイ)を形成した半導体ウエハを
示す図である。
【図2】半導体ウエハ上に形成したダイの光学像を検査
するインスペクションマシンの従来例の構成を示す図で
ある。
【図3】多層にパターンを形成した半導体ウエハの断面
図を示す図である。
【図4】半導体ウエハの複数の点の高さを測定して全面
の高さ分布を求める例を説明する図である。
【図5】本発明の実施例の半導体ウエハのインスペクシ
ョンマシンの構成を示す図である。
【図6】実施例における半導体ウエハ上の基準領域とテ
ンプレートデータを得るための走査を説明する図であ
る。
【図7】実施例においてテンプレートデータを記憶する
処理を示すフローチャートである。
【図8】実施例においてダイ画像の生成と比較検査を行
う場合のフォーカス制御処理を示すフローチャートであ
る。
【図9】実施例におけるテンプレートデータの例を示す
図である。
【図10】実施例においてダイ画像の生成と比較検査を
行う場合のダイ内に高さ変化がない時のフォーカス制御
処理時の信号を示す図である。
【図11】実施例においてダイ画像の生成と比較検査を
行う場合のダイ内に高さ変化がある時のフォーカス制御
処理時の信号を示す図である。
【図12】ダイパターン比較のための他の走査例を示す
図である。
【符号の説明】
11…XYステージ 12…Zステージ 13…検査装置 14…フォーカスセンサ 15…フォーカス信号制御回路 16…ステージ駆動制御装置 17…テンプレート記憶回路 18…テンプレート比較回路 100…試料(半導体ウエハ) 101…領域
フロントページの続き Fターム(参考) 2F064 MM04 MM23 MM24 MM26 2H051 AA11 BA47 CE14 DA03 DA07 GB12 2H052 AA07 AD05 AD09 AD14 AF15 AF17 AF22 4M106 AA01 BA10 CA24 CA38 DB18 DB20 DH03 DJ04 DJ05 DJ32

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 同一形状を有する複数の領域が形成され
    た試料の表面を走査して前記試料の表面画像を生成する
    と共に焦点状態を示すフォーカス信号を出力する走査式
    顕微鏡の焦点補正方法であって、 前記複数の領域の1つを、前記走査式顕微鏡の焦点状態
    を所望の状態にして走査し、走査に伴って変化する前記
    フォーカス信号をテンプレートデータとして記憶し、 前記試料の表面を走査する時に、各領域毎に走査に対応
    する前記テンプレートデータを読み出し、前記フォーカ
    ス信号と前記テンプレートデータとの差を求め、 前記差を無くすように、前記走査式顕微鏡の焦点状態を
    補正することを特徴とする走査式顕微鏡の焦点補正方
    法。
  2. 【請求項2】 同一形状を有する複数の領域が形成され
    た試料の表面を走査して前記試料の表面画像を生成する
    走査式顕微鏡であって、 走査を行うと共に、走査位置を示す走査位置信号を出力
    する走査機構と、 当該走査式顕微鏡の焦点状態を変化させる焦点調整機構
    と、 当該走査式顕微鏡の焦点状態を示すフォーカス信号を出
    力する焦点状態検出器と、 前記複数の領域の1つを、前記走査式顕微鏡の焦点状態
    を所望の状態にして走査した時に、走査に伴って変化す
    る前記フォーカス信号をテンプレートデータとして記憶
    するテンプレート記憶部と、 前記試料の表面を走査する時に、各領域毎の走査位置に
    対応して前記テンプレートデータを読み出し、読み出し
    た前記テンプレートデータと前記フォーカス信号とを比
    較し、2つの信号の差が無くなるように前記焦点調整機
    構を変化させる焦点制御信号を発生する比較器とを備え
    ることを特徴とする走査式顕微鏡。
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